采用相关双取样的光传感器制造技术

描述采用相关双取样的光传感器。在一个示例中，第一存储元件耦合到光电检测器，以收集自由电子作为积聚电荷。转移开关耦合到第一存储元件。第二存储元件经过转移开关耦合到第一存储元件，以便在转移开关开放时从第一存储元件收集积聚电荷。感测电路在从第一存储元件收集积聚电荷之前测量第二存储元件上的电荷作为参考电荷，并且在从第一存储元件收集积聚电荷之后测量第二存储元件上的电荷作为读取电荷。通过将参考电荷与读取电荷进行比较来确定所感测电荷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用相关双取样的光传感器
本公开涉及图像传感器的光电检测器领域，以及具体来说涉及采用相关双取样的系统和方法。
技术介绍
光电检测器通常使用吸收入射光并且响应于所吸收光而产生自由电子或电子/空穴对的材料。自由电子的数量取决于入射到材料上的光量以及光电检测器用来产生自由电子的材料的效率。通过光电检测器阵列所产生的任何图像的细节通过各光电检测器的精度以及光电检测器的总数来确定，通常根据兆像素来表述。对于许多应用，市场需求在越来越小尺寸封装中具有不断增加的细节的照相装置。为了提供图像传感器的更大细节以及提供更小图像传感器，必须使各像素处的光电检测器更小。随着各像素变小，它在特定时间间隔中能够产生的自由电子的数量降低。更少数量的自由电子降低光电检测器的精度，并且还增加噪声的影响。任何半导体装置遭受泄漏电流和其他影响，其使少量自由电子持续产生并且经过材料传送。自由电子的数量较少，但是它们可出现在半导体电路和结构中的几乎任何位置。当这些自由电子与来自光电检测器的自由电子相混合时，泄漏电子引起光电检测器的视在输出中的看似随机的变化。当光电检测器较大并且产生大输出时，噪声则较小并且可忽略。但是，来自具有更少电子输出的更小像素的结果可受到噪声电子显著影响。基于光电二极管的成像器是用于大和小照相装置系统的图像传感器的主要类型。这些图像中的像素在尺寸上已经减小，以实现用于小装置(例如蜂窝电话、保安照相装置和便携照相装置)的更高分辨率照相装置。当前~1μm尺寸的像素在可制造性以及产生可接受地大于噪声阈值的信号的能力方面临近极限。更小尺寸的像素还对更长波长不太灵敏，因为像素尺寸接近正在被测量的光的波长。其他类型的成像器使用量子点或有机膜作为活性元素，以将入射光转换为自由电子。在量子点示例中，点例如作为在膜中分散的胶体被施加到表面。所生成的自由电子然后使用与电路系统(其可在常规硅衬底中形成)所耦合的电极来测量。量子点膜或量子膜可制作成使得像素将光转换为自由电子/空穴对，从而改进特别是对更长波长的灵敏度。但是，与量子膜像素关联的电荷收集和读出电路系统也产生更多噪声。附图说明通过附图、作为举例而不是限制来图示实施例，附图中，相同参考标号表示相似元件。图1是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的光电检测器电路的简图。图2是按照实施例的图1的电路的示例操作周期的时序图。图3是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的备选光电检测器电路的简图。图4是按照实施例的图3的电路的示例操作周期的时序图。图5是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的另一个备选光电检测器电路的简图。图6是按照实施例的图5的电路的示例操作周期的时序图。图7是按照实施例的光电检测器电路的定时的过程流程图。图8是按照实施例的具有多个光电检测器和电路的图像传感器的框图。图9是按照实施例的结合交互视频呈现的计算装置的框图。具体实施方式如本文所述，校正光电检测器电路中的高读取噪声。这使用读出电路和方法(其允许包括复位噪声的相关噪声被补偿)进行。这些技术在量子膜和有机传感器中特别有用，但是也可应用于将电荷转换元件与像素电路系统分离的其他光电检测器系统。量子点膜可配置成充当电荷生成器。当充分能量的光子碰撞膜中的量子点时，释放电子/空穴对。如果没有电场被施加到膜的区域，则电子和空穴将快速重组。膜可连接到电荷存储元件、例如电容器。存储元件能够用来施加电场以收集自由电子，以及存储所产生电荷。多种不同的电路配置能够用来将电子收集到存储元件中，并且确定所收集的电荷量。在一个示例中，复位晶体管首先接通，以便从存储元件排放任何积聚电荷，并且将那个存储结点设置成已知电压。复位晶体管然后关断，以便从光电检测器收集电子。可选转移晶体管然后接通，以便将存储元件连接到光电检测器的量子膜。虽然不作要求，但是转移晶体管实现曝光的电子控制，其在一些应用中是有用的。当膜连接到存储元件时，在膜中生成的任何电荷则扫入存储元件中，从而降低存储结点上的电压。存储结点上的电压与膜中的释放电子的数量(其与膜已经吸收的光子的数量成比例)成比例地降低。转移晶体管然后关断，以便将存储元件与膜隔离，并且停止电荷的收集。为了得到光电检测器的幅度或照明值，读取存储元件处的电压。这个读取值然后可用作特定光电二极管处的幅度或光强度。数百万这类光电检测器可以相结合，以形成图像传感器。通常将存在用于红光、绿光和蓝光的独立光电检测器。在一些情况下，所有光电检测器都用来检测红外成像或黑白成像的相同颜色。读取的精度取决于原始复位电压的精度以及复位中和仅从光电检测器收集电子中的存储元件的精度。为了改进精度，存储元件能够在进行读取之后再次复位。存储元件处的第二复位电压被读取并且与读取值进行比较，作为归一化读取的一种方式。但是，复位后存在存储元件上的电压的变化。由于使用两个不同的复位，所以两个复位电压之间的任何差引起结果之中的未知变化，其导致噪声。已经观察到，基于量子膜的典型1.1μm像素传感器比传统光电二极管更快地产生更多电子/空穴对。这提供更大细节的更高对比度以及低光中的更好响应。另一方面，噪声级要高许多，使得改进细节被噪声遮掩。图1是具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的光电检测器电路的简图，其适合与量子点膜传感器和其他电荷产生光电检测器技术配合使用。所图示系统提供相关双取样和低许多的读取噪声。光电检测器元件102基于量子点生成电荷的使用。量子点作为膜104(其包含在顶部电极106与底部电极108之间)中的胶体来提供。顶部电极使用DAC(数模转换器)110或者任何其他适当装置来设置在准确已知电压、例如0V。底部电极耦合到输出线112，并且被允许浮动。入射到光电检测器上的光可选地经过微透镜114并且经过顶部电极106(其可以是透明的)传递到膜104中的量子点。光与膜进行交互，以产生如上所论述的自由电子/空穴对，其可在底部输出112经过底部电极108来收集。透镜114可用来将光能聚焦到包含量子膜的区域上。透镜还可包括用于红外光、红光、绿光或蓝光的滤色器。可存在附加滤波器，例如抗混叠滤波器、紫外滤波器等。虽然仅示出一个光电检测器，但是可存在更多个光电检测器，以创建图像传感器或者多种不同用途的任一种的另一种类型的传感器。还可存在附加组件，例如附加光学元件、曝光控制、保护盖板、电气组件等。虽然示出基于量子膜的检测器，但是其他类型的光电检测器组件可用来代替或补充量子膜检测器。光电检测器的输出耦合到用于测量检测器所产生的电荷的电路。这个电路可如所示在光电检测器旁边，或者电路的部分或全部可在光电检测器下面，使得电路没有干扰相邻光电检测器的操作。测量电路具有并联的两个存储元件120、122(C1、C2)。这些示为电容器，但是它们也可以是存储电荷的任何其他适当电路。存储元件在一侧耦合到公共140或地电位，以及在另一侧耦合到输出线142，该输出线142连接到光电检测器输出112。转移开关126(Tx)耦合在第一存储元件与第二存储元件之间。输出线142也耦合到复位开关128(Tr)，其经连接以便将存储元件与参考电压134(Vaa)交替连接或断开。输出线还经过缓冲器130耦合到行选择开关132(Rs本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：光电检测器，用于响应入射光子而产生自由电子；第一存储元件，耦合到所述光电检测器，以便从所述光电检测器收集自由电子作为积聚电荷；转移开关，耦合到所述第一存储元件；第二存储元件，经过所述转移开关耦合到所述第一存储元件，以便在所述转移开关开放时从所述第一存储元件收集所述积聚电荷；以及感测电路，用于在从所述第一存储元件收集所述积聚电荷之前测量所述第二存储元件上的所述电荷作为参考电荷，并且用于在从所述第一存储元件收集所述积聚电荷之后测量所述第二存储元件上的所述电荷作为读取电荷，其中通过将所述参考电荷与所述读取电荷进行比较来确定所感测电荷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.30 US 14/8142221.一种设备，包括：光电检测器，用于响应入射光子而产生自由电子；第一存储元件，耦合到所述光电检测器，以便从所述光电检测器收集自由电子作为积聚电荷；转移开关，耦合到所述第一存储元件；第二存储元件，经过所述转移开关耦合到所述第一存储元件，以便在所述转移开关开放时从所述第一存储元件收集所述积聚电荷；以及感测电路，用于在从所述第一存储元件收集所述积聚电荷之前测量所述第二存储元件上的所述电荷作为参考电荷，并且用于在从所述第一存储元件收集所述积聚电荷之后测量所述第二存储元件上的所述电荷作为读取电荷，其中通过将所述参考电荷与所述读取电荷进行比较来确定所感测电荷。2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一存储元件和第二存储元件包括电容器，并且所述感测电路测量电荷作为所述第二存储元件的所述电容器上的电压。3.如权利要求2所述的设备，其中，所述参考电荷和所述读取电荷作为参考电压和读电压来测量，并且所感测电荷作为所感测电压来提供。4.如以上权利要求中的任一项所述的设备，还包括复位开关，其耦合到参考电压以及所述第一存储元件和第二存储元件，以便在所述第一转移开关开放之前使所述第一存储元件和第二存储元件复位。5.如权利要求4所述的设备，其中，所述复位开关还用于在测量所述参考电荷之后并且在测量所述读取电荷之前使所述第二存储元件复位。6.如以上权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述感测电路通过将所述第二存储元件连接到模数转换器以将所述第二存储元件的所述电压转换成数字测量值，来测量所述电荷。7.如以上权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光电检测器包括膜，其具有扩散量子点，以产生所述自由电子。8.如以上权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述第一存储元件是全耗尽电荷阱，以及所述第二存储元件是电容器。9.如以上权利要求中的任一项所述的设备，还包括所述光电检测器与所述第一存储元件之间的第二转移开关，以便交替地在开放时允许所述电子被收集而在闭合时防止所述电子被收集。10.如以上权利要求中的任一项所述的设备，还包括：第一复位开关，耦合在所述第一存储元件与参考电压之间，以使所述第一存储元件的所述电压复位；以及第二复位开关，耦合在所述第二存储元件与所述参考电压之间，以使所述第二存储元件的所述电压复位。11.一种方法，包括：使第一存储元件和第二存储元件的电压复位到复位电压；在所述第一存储元件从光电检测器收集电荷；在所述第二存储元件测量所述复位电压作为第一电压；把来自所述第一存储元件的所收集电荷转移到所述第二存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：R希克斯，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US